Współczynnik pustki - Void coefficient

W inżynierii jądrowej The void współczynnik (bardziej poprawnie nazywa void współczynnik reaktywności ) to numer, który może być stosowany w celu oszacowania ile reaktywność z reaktora jądrowego zmienia się pustek (zazwyczaj parą baniek) formularz w reaktorze moderatora lub chłodziwa . Reaktywność netto w reaktorze jest sumą wszystkich tych wkładów, z których tylko jeden współczynnik pustki. Reaktory, w których moderator lub chłodziwo jest cieczą, zazwyczaj mają wartość współczynnika pustki, która jest ujemna (jeśli reaktor jest niedostatecznie moderowany) lub dodatni (jeśli reaktor jest nadmiernie moderowany). Reaktory, w których ani moderator, ani chłodziwo nie są cieczą (np. reaktor z moderatorem grafitowym, chłodzony gazem) będą miały wartość współczynnika pustych przestrzeni równą zero. Nie jest jasne, w jaki sposób definicja współczynnika „pustki” odnosi się do reaktorów, w których moderator/chłodziwo nie jest ani cieczą, ani gazem ( reaktor wodny w stanie nadkrytycznym ).

Wyjaśnienie

Reaktory rozszczepienia jądrowego działają na jądrowych reakcjach łańcuchowych , w których każde jądro ulegające rozszczepieniu uwalnia ciepło i neutrony. Każdy neutron może uderzyć w inne jądro i spowodować jego rozszczepienie. Szybkość tego neutronu wpływa na prawdopodobieństwo spowodowania dodatkowego rozszczepienia, podobnie jak obecność materiału pochłaniającego neutrony. Z jednej strony wolne neutrony są łatwiej absorbowane przez jądra rozszczepialne niż szybkie neutrony , więc moderator neutronów spowalniający neutrony zwiększy reaktywność reaktora jądrowego. Z drugiej strony absorber neutronów zmniejszy reaktywność reaktora jądrowego. Te dwa mechanizmy służą do sterowania mocą cieplną reaktora jądrowego.

Aby utrzymać reaktor jądrowy w stanie nienaruszonym i sprawnym oraz pozyskiwać z niego użyteczną energię, należy zastosować system chłodzenia. Niektóre reaktory cyrkulują wodę pod ciśnieniem; niektórzy używają ciekłego metalu , takiego jak sód , NaK , ołów lub rtęć ; inne wykorzystują gazy (patrz zaawansowany reaktor chłodzony gazem ). Jeśli chłodziwo jest cieczą, może wrzeć, jeśli temperatura wewnątrz reaktora wzrośnie. To wrzenie prowadzi do powstawania pustych przestrzeni wewnątrz reaktora. Pustki mogą również tworzyć się, jeśli chłodziwo zostanie utracone z reaktora w jakimś wypadku (nazywanym wypadkiem z utratą chłodziwa , który niesie ze sobą inne niebezpieczeństwa). Niektóre reaktory pracują z chłodziwem w stałym stanie wrzenia, wykorzystując wytworzoną parę do obracania turbin.

Ciecz chłodząca może działać jako absorber neutronów, jako moderator neutronów, zwykle jako jedno i drugie, ale z jedną lub inną rolą jako najbardziej wpływową. W każdym przypadku ilość pustek wewnątrz reaktora może wpływać na reaktywność reaktora. Zmiana reaktywności spowodowana zmianą pustych przestrzeni wewnątrz reaktora jest wprost proporcjonalna do współczynnika pustych przestrzeni .

Dodatni współczynnik pustych przestrzeni oznacza, że ​​reaktywność wzrasta wraz ze wzrostem zawartości pustych przestrzeni wewnątrz reaktora z powodu zwiększonego wrzenia lub utraty chłodziwa; na przykład, jeśli chłodziwo działa głównie jako pochłaniacz neutronów. Ten dodatni współczynnik pustki powoduje dodatnią pętlę sprzężenia zwrotnego, zaczynając od pierwszego pojawienia się pęcherzyków pary. Może to szybko zagotować cały płyn chłodzący w reaktorze, jeśli nie przeciwdziała temu (automatyczny) mechanizm sterujący lub jeśli czas reakcji wspomnianego mechanizmu jest zbyt wolny. Stało się to w reaktorze RBMK , który został zniszczony w katastrofie w Czarnobylu, ponieważ mechanizm automatycznego sterowania był w większości wyłączony (a operatorzy nieco lekkomyślnie próbowali szybko przywrócić wysoki poziom mocy. Z powodu złej konstrukcji pręta sterującego operatorzy nie byli świadomi, że istnieje był maksymalny poziom trucizny neutronowej w rdzeniu).

Ujemny współczynnik pustych przestrzeni oznacza, że ​​reaktywność zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości pustych przestrzeni wewnątrz reaktora - ale oznacza to również, że reaktywność wzrasta, gdy zawartość pustych przestrzeni wewnątrz reaktora jest zmniejszona. W reaktorach z wodą wrzącą o dużych ujemnych współczynnikach porów nagły wzrost ciśnienia (spowodowany np. nieplanowanym zamknięciem zaworu strumieniowego) spowoduje nagły spadek zawartości porów: zwiększone ciśnienie spowoduje, że część pęcherzyków pary skondensować („zapaść”); a moc cieplna prawdopodobnie wzrośnie, dopóki nie zostanie przerwana przez systemy bezpieczeństwa, przez zwiększone tworzenie pustych przestrzeni ze względu na wyższą moc lub, ewentualnie, przez awarie systemu lub komponentów, które zmniejszają ciśnienie, powodując wzrost zawartości pustych przestrzeni i spadek mocy. Wszystkie reaktory z wrzącą wodą są zaprojektowane (i wymagane) do obsługi tego typu nieustalonych warunków. Z drugiej strony, jeśli reaktor jest zaprojektowany do pracy bez pustych przestrzeni, duży ujemny współczynnik pustych przestrzeni może służyć jako system bezpieczeństwa. Utrata chłodziwa w takim reaktorze zmniejsza moc cieplną, ale oczywiście wytwarzane ciepło nie jest już odprowadzane, więc temperatura może wzrosnąć (jeśli wszystkie inne systemy bezpieczeństwa jednocześnie zawiodą).

Zatem duży współczynnik pustej przestrzeni, dodatni lub ujemny, może być albo problemem projektowym (wymagającym bardziej ostrożnych, szybciej działających systemów sterowania) albo pożądaną jakością, w zależności od konstrukcji reaktora. Reaktory chłodzone gazem nie mają problemów z tworzeniem się pustych przestrzeni.

Projekty reaktorów

  • Reaktory z wrzącą wodą generalnie mają ujemne współczynniki pustych przestrzeni, a podczas normalnej pracy ujemny współczynnik pustych przestrzeni umożliwia regulację mocy reaktora poprzez zmianę szybkości przepływu wody przez rdzeń. Ujemny współczynnik pustki może powodować nieplanowany wzrost mocy reaktora w zdarzeniach (takich jak nagłe zamknięcie zaworu strumieniowego), w których ciśnienie w reaktorze nagle wzrasta. Ponadto ujemny współczynnik pustki może powodować oscylacje mocy w przypadku nagłego zmniejszenia przepływu rdzenia, które może być spowodowane awarią pompy recyrkulacyjnej. Reaktory z wrzącą wodą są zaprojektowane tak, aby zapewnić, że tempo wzrostu ciśnienia spowodowane nagłym zamknięciem zaworu jest ograniczone do akceptowalnych wartości i zawierają wiele systemów bezpieczeństwa zaprojektowanych w celu zapewnienia, że ​​wszelkie nagłe wzrosty mocy reaktora lub niestabilne oscylacje mocy zostaną zakończone przed paliwem lub rurociągiem może wystąpić uszkodzenie.
  • Reaktory wodne ciśnieniowe działają ze stosunkowo niewielką ilością pustych przestrzeni, a woda służy zarówno jako moderator, jak i chłodziwo. Tak więc duży ujemny współczynnik pustki zapewnia, że ​​jeśli woda się zagotuje lub zostanie utracona, moc wyjściowa spadnie.
  • Reaktory CANDU mają dodatnie współczynniki pustki, które są na tyle małe, że systemy sterowania mogą łatwo reagować na wrzące chłodziwo, zanim reaktor osiągnie niebezpieczną temperaturę (patrz Referencje).
  • Reaktory RBMK , takie jak reaktory w Czarnobylu, mają niebezpiecznie wysoki dodatni współczynnik pustki. Pozwoliło to reaktorowi pracować na niewzbogaconym uranie i nie wymagało ciężkiej wody , co pozwoliło obniżyć koszty (również, w przeciwieństwie do innych rosyjskich reaktorów głównych VVER , RBMK były podwójnego zastosowania, zdolne do produkcji plutonu przeznaczonego do broni ). Przed awarią w Czarnobylu reaktory te miały dodatni współczynnik pustki wynoszący 4,7 beta , który po wypadku został obniżony do 0,7 beta, aby mogły bezpiecznie pozostać w eksploatacji.
  • Reaktory prędkie powielające nie wykorzystują moderatorów, ponieważ działają na neutronach prędkich , ale chłodziwo (często ołów lub sód ) może służyć jako pochłaniacz neutronów i reflektor. Z tego powodu mają dodatni współczynnik pustki.
  • Reaktory Magnox , zaawansowane reaktory chłodzone gazem i reaktory ze złożem żwirowym są chłodzone gazem, więc współczynniki pustki nie stanowią problemu. W rzeczywistości niektóre z nich można zaprojektować tak, aby całkowita utrata chłodziwa nie powodowała stopienia rdzenia, nawet przy braku aktywnych systemów sterowania. Jak w przypadku każdej konstrukcji reaktora, utrata chłodziwa jest tylko jedną z wielu możliwych awarii, które mogą potencjalnie doprowadzić do wypadku. W przypadku przypadkowego przedostania się ciekłej wody do rdzenia reaktorów ze złożem otoczkowym może wystąpić dodatni współczynnik pustki. Reaktory Magnox i UNGG zostały zaprojektowane w podwójnym celu: produkcji energii elektrycznej i plutonu przeznaczonego do broni.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia